曾慶超，張遷梓，吳 磊

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 前言

高速行駛中的汽車如果突然急打轉(zhuǎn)向很容易出現(xiàn)車輛翻滾的交通事故，這種情況下，如果車輛沒(méi)有足夠強(qiáng)的頂部結(jié)構(gòu)，就很有可能出現(xiàn)車頂坍塌現(xiàn)象從而危及乘員生命安全。為此原國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布了國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車頂部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了明確的規(guī)定：當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求對(duì)車頂施加向下載荷時(shí)，加載裝置下表面的移動(dòng)量不應(yīng)超過(guò)127 mm，同時(shí)載荷的大小要達(dá)到整車整備質(zhì)量的1.5 倍，但不超過(guò)22 240 N。目前該標(biāo)準(zhǔn)的要求相對(duì)于其他國(guó)家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更低，例如，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家將該項(xiàng)頂部抗壓能力提升到了整車質(zhì)量的3倍，國(guó)內(nèi)的C-IASI中對(duì)于車頂強(qiáng)度采用分級(jí)評(píng)價(jià)的方式，頂部抗壓能力小于整車質(zhì)量的2.5 倍，將評(píng)價(jià)為“較差”，只有達(dá)到4 倍才能獲得優(yōu)秀[1]。據(jù)悉，國(guó)內(nèi)的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)也在計(jì)劃將頂部抗壓能力提升至整備質(zhì)量的3 倍。所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)市場(chǎng)出發(fā)，現(xiàn)有車型在設(shè)計(jì)中應(yīng)該按照頂部抗壓能力達(dá)到整車質(zhì)量的3倍要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

根據(jù)乘用車的車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)B 柱承擔(dān)了頂部抗壓試驗(yàn)中的大部分載荷，但是由于布置和造型等因素的影響，乘用車B 柱一般設(shè)計(jì)成上小下大的拱形結(jié)構(gòu)，如圖1 所示；該結(jié)構(gòu)在頂部下壓載荷作用下，很容易出現(xiàn)B 柱上部折彎的情況，從而導(dǎo)致車身頂部抗壓能力下降。經(jīng)檢索國(guó)內(nèi)目前關(guān)于提高頂部抗壓能力的研究不多，尤其是在提倡輕量化車身的大環(huán)境下，如何在不顯著增加車身重量且滿足工藝要求的前提下有效地提高車身頂部抗壓性能，是困擾很多汽車工程師的難題。

圖1 某車型B柱外形輪廓

1 搭建有限元模型

1.1 試驗(yàn)要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》的試驗(yàn)規(guī)定[2]：車輛剛性的固定在剛性地面上，關(guān)閉所有車窗，關(guān)閉并鎖死所有車門，按照如圖2 所示的定位加載裝置，使其縱軸前傾角為水平面向下5°（側(cè)視），并且縱軸平行于穿過(guò)車輛縱向中心線的垂直面，橫向外傾角為水平面向下25°（正視）。加載裝置下表面的縱向中心線穿過(guò)與車頂?shù)慕佑|點(diǎn)或者接觸區(qū)域的中心，加載裝置下表面的前緣中點(diǎn)在車頂外表面最前點(diǎn)，再向前254 mm的橫向垂直平面不超過(guò)10 mm的范圍內(nèi)。

圖2 試驗(yàn)裝置定位

1.2 搭建有限元模型

根據(jù)上述試驗(yàn)要求搭建有限元仿真計(jì)算模型[3-8]：為了提高計(jì)算效率，取消底盤、座椅、動(dòng)力總成以及輪胎等非參與承載的部件，僅保留白車身與四門兩蓋結(jié)構(gòu)。加載裝置采用一個(gè)1 829 mm*762 mm 的剛性板進(jìn)行模擬并按照試驗(yàn)要求進(jìn)行擺放。在車身門檻梁位置進(jìn)行剛性約束，具體有限元模型如圖3所示。

圖3 車身頂部強(qiáng)度分析有限元模型

2 結(jié)果分析

提取剛性加載板加載過(guò)程的最大接觸力并按照式（1）計(jì)算車身頂部承載系數(shù)對(duì)其車身頂部強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，本研究設(shè)定的車身頂部承載系數(shù)目標(biāo)值大于3。

其中：ε 為車身頂部承載系數(shù)；F為剛性加載板最大接觸力，N；m為整車整備質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

對(duì)基礎(chǔ)狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得出剛性壓板的最大接觸力為43 300 N，而該車型設(shè)計(jì)整備質(zhì)量為1 592 kg，因此車身頂部承載系數(shù)為2.77，未能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值，進(jìn)一步分析其變形模式，發(fā)現(xiàn)在B 柱上部安全帶固定點(diǎn)位置出現(xiàn)明顯的折彎變形，如圖4所示，導(dǎo)致車身頂部承載能力降低。

圖4 基礎(chǔ)狀態(tài)B 柱變形模式

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖5 所示，針對(duì)B 柱上部結(jié)構(gòu)存在剛度不足的問(wèn)題綜合考慮B 柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安裝布置、工藝要求等因素，提出了兩個(gè)優(yōu)化方案[9-10]：

圖5 B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

1）將高調(diào)器加強(qiáng)板的焊接邊延伸至B 柱內(nèi)、外板焊接邊處，同時(shí)將其料厚由1.0 mm提升至1.2 mm；

2）在高調(diào)器下部增加一個(gè)“幾”字形加強(qiáng)板，該加強(qiáng)板材料為590DP，料厚1.2 mm，該加強(qiáng)板跟隨B柱內(nèi)板焊接與B 柱加強(qiáng)板保留5 mm 的間隙以避免車輛行駛過(guò)程結(jié)構(gòu)碰撞產(chǎn)生異響。當(dāng)車身頂部受載使B柱內(nèi)板變形到一定之后，“幾”字板與B 柱加強(qiáng)板發(fā)生接觸傳力，從而能夠?qū)⑤d荷由結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱的B 柱內(nèi)板擴(kuò)散至結(jié)構(gòu)更強(qiáng)的B 柱加強(qiáng)板；避免由于B 柱內(nèi)板強(qiáng)度不足導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)重大的折彎變形。

4 方案驗(yàn)證

將上述優(yōu)化方案帶入計(jì)算模型進(jìn)行方案驗(yàn)證，得出剛性壓板的最大接觸力為47 100 N，進(jìn)而求出車身頂部承載系數(shù)為3.02，滿足設(shè)計(jì)要求，基礎(chǔ)狀態(tài)與優(yōu)化方案的接觸力-位移曲線對(duì)比，如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化前后接觸力-位移曲線對(duì)比

5 結(jié)論

本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》的試驗(yàn)要求，搭建了有限元仿真模型進(jìn)行頂部抗壓強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)基礎(chǔ)狀態(tài)結(jié)果所反映的B 柱安全帶固定點(diǎn)區(qū)域剛度不足的問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，鑒于B 柱在該工況下受彎矩影響的特點(diǎn)[11-14]，設(shè)計(jì)了一個(gè)“幾”字形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠有效地將局部載荷進(jìn)行擴(kuò)散，從而避免了B 柱因局部變形導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)剛度不足的現(xiàn)象。優(yōu)化結(jié)果表明，該方案在不顯著增加結(jié)構(gòu)重量的前提下提高了車身頂部承載系數(shù)，使其滿足設(shè)計(jì)要求。